농업기상 센서 데이터를 활용한 인삼재배 광환경 조절 연구
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Abstract
Photosynthetically active radiation flux density (PPFD) and daily light integral (DLI) values related to plant photosynthesis were obtained using the sunlight time and insolation data points in the agricultural weather sensor data for Jinan-gun, Jeollabuk-do, Korea from 2016 to 2020. The objective was to optimize the photo-environmental conditions for cultivating ginseng. The range of average monthly sunshine duration was 395.5–664.1 min, with the longest duration observed in June. The range of average annual accumulated daily insolation was 11.98–17.65 MJ·m-2. The range of average daily external DLI calculated from the insolation and solar time data was 22.3–36.1 mol·m-2·d-1, and the annual cumulative DLI was 8,156–13,175 mol·m-2·d-1. Both the insolation and DLI values were the highest in 2016 and lowest in 2020. Based on the PPFD required for ginseng growth (111–185 μmol·m-2·s-1), the monthly average daily DLI and monthly cumulative DLI were 3.51–5.87 and 82–228 mol·m-2·d-1, respectively. The range of five-year average value for the external monthly cumulative DLI was 298–1,459 mol·m-2·d-1, and the monthly cumulative DLI values when a black double shading film and blue-white shading film were applied were 101–496 and 36–175 mol·m-2·d-1, respectively. A comparative analysis of DLI values indicated that shading was required to ginseng growth throughout the year under natural light. When the black double shading film was used, shading was required from March to October. When the blue-white shading film was applied from April to August, (i.e., the period with active ginseng growth) the appropriate DLI for ginseng growth could be continuously maintained. Regional weather differences due to climate change are gradually increasing, and even in one region, monthly and cumulative DLI values are different every year. Therefore, in order to implement a precise agricultural environment for ginseng cultivation, precise analysis and continuous research using agricultural weather sensor big data is required.
Keywords:
Weather Sensor, data, Light Environment, Ginseng Cultivation, DLI1. 서 론
코로나 확산에 따른 면역력 증강 및 건강에 대한 관심이 증가하면서 인삼에 대한 수요가 증가하고 있으나 병층해 발생, 생산비 증가 및 생산인구 노령화 등으로 인해 신규 재배 면적은 지속적으로 감소하고 있다.
인삼 재배의 경우 전통적으로 노지재배가 이루어져 왔으나 기후변화에 따른 기상 환경의 불확실성 증가는 전통적인 노지재배의 생산성을 감소시키고 있다. 재배 지역에 따라 국지적 기상조건이 다르므로 이를 고려한 인삼 생산 죄적 환경 조건을 마련할 필요성이 있다.
농업 전반에서도 생산성 및 품질향상을 위한 ICT 결합[1]과 빅데이터[2] 및 이력관리시스템[3]을 활용한 연구가 이루어지고 있다. 인삼재배 농가는 기존 노지재배의 한계를 극복하기 위해 최근 들어 시설재배로 전환하는 경우가 늘어나고 있으며, ICT센서기술과 결합한 스마트팜 구축[4]을 통해 재배 면적 당 생산량 향상 및 고품질의 인삼을 생산하려는 노력도 활발해 지고 있다.
인삼에 대한 스마트팜 환경 관련 국내 연구는 수경인삼을 중심으로 이루어져 왔으며[5, 6], 노지와 시설재배에 대한 연구는 미약한 실정이다. 향후 생산성과 고품질의 인삼 재배 환경 구축을 위한 다양한 인삼 생육 환경에 대한 연구가 지속적으로 이루어져야 할 것으로 본다.
최근 연구결과에 따르면, 영농형 태양광발전에 따른 차광이 하부 농지의 작물 생육과의 연관성이 있음을 밝히고 있다[7-10]. 이는 인삼 재배에 있어서도 인삼생육과 차광 환경에 대한 연구의 중요성을 시사하고 있다. 이 등[11]은 인삼 엽온과 해가림 시설 내부의 미기상 요인과의 상관관계를 분석한 바 있고, 인삼 관리시스템 개발을 위해 온실 내 광투과율이 묘삼 생산에 미치는 영향 연구[12]와 인삼의 해가림 구조에 따른 미기상 변화 및 인삼 품질에 대한 연구[13], 해가림 자재 종류(차광망, 차광판, 차광지)에 따른 인삼 생육과 품질 비교 및 고온피해 경감 연구가 이루어진 바 있다[14, 15]. 그러나 장기간의 농업기상 센서 빅데이터를 활용한 실증분석은 아직 초기단계이다.
인삼 재배에 있어 광환경은 매우 중요한 요소이다. 인삼은 반음지성 식물로 겨울에는 휴면하는 다년생 식물이다. 인삼은 여름철 고온에 약해 열해를 입을 수 있다.
생육기의 최적 광량 유지는 진세노이드 함량이 높은 고품질의 인삼을 생산하고 열해를 막는데 있어서 매우 중요하다[16]. 인삼 생육초기 투광량의 증가는 인삼생육에 영향을 미치며[17], 인삼 생육시기별 광량 조절은 인삼의 수량과 품질에 영향을 주는 것[18]으로 보고된 바 있다.
본 연구에서는 지역 농업기상 관측장비(AWS)의 센서 데이터 중 광환경 관련 일조시간 및 일사량 데이터를 분석하여 인삼생육에 필요한 최적 광조건을 도출하고자 하였다.
2. 연구 방법
2.1 농업기상 센서 데이터 수집 및 분석
인삼 재배를 위한 농업기상 센서 데이터는 공공데이터 포털을 통해 농촌진흥청 국립농업과학원에서 Open API형식으로 제공하는 농업기상 기본 관측데이터를 분석에 활용하였다[19].
농업기상 센서 관측지점은 전라북도 진안을 대상으로 하였으며 농업기상 측정 센서를 장착한 AWS (설치지점: 전라북도 진안군 진안읍 진무로 702-30)에서 측정된 데이터를 활용하였다. 농업기상 측정항목 중 광환경 분석항목으로는 일사량(sun_Qy, MJ·m-2), 일조시간 (sun_ Time, min.)을 사용하였으며, 2016~2020년(매10분 생성 데이터)까지 5년간의 데이터를 분석하였다. 일사량 단위는 MJ·m-2으로 DLI계산을 위해 W·m-2으로 전환하여 사용하였다.
2.2 광환경 데이터 분석을 위한 PPFD 및 DLI 계산
수집된 농업기상 데이터는 Python프로그램을 사용하여 농업 기상 데이터를 분석에 필요한 타겟 데이터로 가공하였으며, 보정된 일조시간 및 일 누적 일사량 데이터를 이용하여 식물의 광합성에 이용할 수 있는 PPFD 값과 DLI 값을 계산하였다.
식물이 광합성에 활용할 수 있는 400~700 nm 범위의 파장대의 빛을 대상으로 하는 PPFD (Photosynthetically active radiation Flux Density (광합성광양자속밀도): 1초마다 단위면적(m2)에 도달하는 광합성 활성 광양자의 수(μmol·m-2·s-1))와 DLI (Daily Light Integral: 24시간 동안 단위면적(m2)에 전달되는 누적 광합성 활성 광양자의 수 (mol·m-2·d-1))를 구하여 분석에 활용하였다.
일조시간 (월별 일조시간의 5년 평균) 동안의 누적된 PPFD를 기반으로 인삼 생육에 필요한 최종 DLI를 분석하였다.
2.3 인삼 생육을 위한 적정 광 환경 분석
외부 농업기상 실측 센서 데이터를 분석, 정제하여 5년동안의 월별 평균, 연도별 DLI 값을 산출하였으며, 날자별 인삼 생육을 위한 적정 보광 및 차광량을 분석하였다.
인삼 노지 재배에 주로 사용하는 열해방지용 관행해가림 시설인 흑색 이중 차광막 (광투과율 계수: 0.34)을 설치한 경우와 인삼 온실 재배시 사용하는 청백차광필름(광투과율 계수: 0.12)을 적용한 경우의 적정 광량 범위를 산정하여, 차광 소재에 따른 인삼 재배 시 필요한 최적 광환경 조성 방안을 제시하고자 하였다.
2.4 농업기상 센서 데이터 기반 인삼 생육 적정 광환경 분석 결과의 시각화
전라북도 진안의 농업기상 센서 데이터 분석 결과는 데이터 스튜디오(Google)를 사용하여 일사량, 일조시간, 연/월/10분 단위 연별, 월별 누적 DLI 변화를 분석하여 그래프로 시각화하였다[20].
3. 결과 및 고찰
전라북도 진안의 2016년에서 2020년 동안의 농업기상 센서에서 관측한 일조시간 및 일사량 데이터를 기반으로 분석한 결과, DLI의 일별 변화는 5, 6월에 가장 높게 나타나고, 1월과 12월에 가장 낮게 나는 경향을 보였다 (Fig. 1).
DLI by day for 2016–2020.
일조시간은 겨울철인 12월이 일누적 일조시간의 월 평균값이 395.5분 (약6.4시간)으로 가장 짧았으며, 장마 전 초여름 시기인 6월에 664.1 분 (약 11.4시간)으로 가장 길게 나타났다 (Table 1).
Monthly average sunlight time.(unit: min.)
일누적일사량(MJ·m-2)의 연평균값을 살펴보면, 2016년 17.65로 가장 높았으며, 2017년 13.49, 2018년 13.05, 2019년 12.54, 2020년 11.98 순으로 분석되었다(Fig. 2).
Average annual value of cumulative solar radiation.
농업기상 일사량 데이터에서 산출한 외부 DLI (mol·m-2·d-1)를 분석한 결과, 2016년이 일평균 DLI 값이 36.1, 연누적 DLI 값이 13,175 로 가장 높게 나타났으며, 2017년 은 일평균 DLI값이 26.0, 연누적 DLI값이 9,503이었으며, 2018년은 일평균 DLI값이 25.3, 연누적 DLI값이 9,242 이었고, 2019년은 일평균 DLI값이 23.8, 연누적 DLI 값이 8,696 이었다. 2020년은 일평균 DLI값이 22.3, 연누적 DLI값이 8,156으로 가장 낮게 나타나, 분석한 5년간의 식물 생장에 필요한 DLI값은 일사량과 같이 지속적으로 감소하는 경향을 나타내었다 (Fig. 3).
Cumulative DLI by year.
인삼 생육에 필요한 적정 PPFD 범위(μmol·m-2·s-1)는 6,000~10,000Lux[21, 22]를 변환하여 PPFD로 산정한 111~185로 산정하였으며 (환산계수: 0.0185), 일조량이 높고, 기온이 높은 고온기로 반음지성 식물인 인삼의 생육이 저하되는 6~8월에는 PPFD 최대값을 최대 광량의 80%로 산정한 114로 계산하였다. DLI는 일조시간 (월별 일조시간의 5년 평균) 동안의 PPFD 기반으로 인삼 생육에 필요한 적정 DLI를 분석하였다.
농업기상 데이터의 5년 평균 월별 일조시간 (Table 1)과 함께 인삼 생육에 필요한 월별 최소, 최대, 평균 일일 DLI (mol·m-2·d-1) 값을 산정한 결과, 12월이 3.5로 가장 낮았으며, 5월이 5.9로 가장 높게 나타났다(Table. 2). 한여름인 7, 8월의 경우 5, 6월 보다 DLI 값이 낮아 인삼의 적정 생육을 위해서는 차광에 유의해야 할 것으로 보인다.
PPFD and DLI Minimum and Maximum Ranges Required for Ginseng Growth.
농업기상 센서 데이터 분석을 통해 얻은 외부 DLI 값과 인삼 재배용 차광막(흑색이중차광막, 청백차광필름)의 소재 별 광투과율을 고려하여 시설 내에서 얻어지는 DLI 값과 인삼 생육에 요구되는 적정 DLI값을 비교 분석하였다.
2016~2020년까지의 월별 누적 DLI (mol·m-2·d-1)의 평균값은 외부에서 유입되는 태양광의 식물 광합성에 필요한 광으로 12월에 298로 최소로 나타났고, 5월 1,459로 최대로 나타나, 최소와 최대값 차이가 약 4.9배로 나타났다 (Table 3). 외부 광유입이 가장 낮은 12월 DLI 값이 298로 인삼 생육에 필요한 연중월별 DLI값의 최대값인 228보다 높게 나타나므로, 인삼 재배의 경우 해가림 시설을 이용한 연중 차광이 필요하다는 것을 시사한다(Fig. 4(a)).
Monthly cumulated DLI.(unit: mol·m-2·d-1)
Monthly average value of accumulated monthly DLI (2016–2020) and required light/shading amount; (a) Outside, (b) under black double shading film and (c) under blue-white shading film.
인삼 재배는 대부분 노지에서 이루어지고 있으며, 해가림 시설로 주로 사용하는 것이 흑색 이중 차광막이다. 흑색 이중 차광막을 적용할 경우, 최소 DLI(mol·m-2·d-1)는 12월 101, 최대는 5월 496으로 나타났고, 인삼 생육에 필요한 월별 DLI범위와 비교시 인삼의 지상부 생육이 일어나는 3~10월의 경우, 인삼 생육에 적정한 DLI 범위를 초과하는 것으로 나타나 추가적인 차광이 필요한 것을 알 수 있다 (Table. 3, Fig. 4(b)).
최근 들어 스마트팜이 보급, 확대되면서 온실을 이용한 인삼 재배 시도 및 관련 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 차광 효과가 뛰어난 청백차광필름을 적용한 경우를 검토하였다. 청백 차광필름을 적용할 경우, 온실 내 연중 DLI 범위는 36~175로 기존 흑색이중차광막보다 차광 효과가 우수한 것으로 나타났다. 인삼 생육에 필요한 월별 DLI범위와 비교시 인삼 생육이 활발한 4~8월 동안 청백 차광필름을 적용한 경우 인삼 생육에 필요한 적정 DLI 값 유지가 가능한 것으로 분석되었다. 단, 생육초기인 3월과 생육후기인 9, 10월은 생육에 필요한 최소 DLI 값보다 낮으므로 보광이 필요한 것으로 나타났다. 이때는 시설 내부에 인공광을 활용한 보광을 고려할 수 있다.
인삼의 경우 다년생 식물로, 휴면기인 동계에는 뿌리를 제외한 지상부는 소실되게 되므로 청백차광필름을 적용한 경우, 1~2월, 11~12월에 인삼 생육에 필요한 최소 DLI값인 82 이하이나 DLI 값이 낮아도 인삼의 생육에는 영향이 없으므로 별도의 보광이 필요하지 않다(Table 3, Fig. 4(b)).
4. 결 론
본 연구에서는 2016~2020년의 전라북도 진안 지역의 농업기상 센서 데이터 중 일조시간 및 일사량 데이터를 활용하여 식물의 광합성 관련 PPFD (Photosynthetically active radiation Flux Density)값과 DLI (Daily Light Integral)값을 구하여 인삼 재배에 최적화된 광환경 조건을 제시하고자 하였다.
월평균 일조시간은 395.5~664.1 분으로 6월이 가장 길었다. 일누적일사량의 연평균값은 11.98~ 17.65 MJ·m-2이었다. 일사량과 일조시간 데이터에서 산출한 외부 DLI 의 일평균DLI값은 22.3~36.1 mol·m-2·d-1, 연누적 DLI값은 8,156~13,175 mol·m-2·d-1이었다. 일사량과 DLI값 모두2016년에 가장 높고, 2020년에 가장 낮게 나타났다.
인삼 생육에 필요한 PPFD 범위은 111~185 μmol·m-2·s-1, 월별 평균 일일 DLI값은 3.51~5.87 mol·m-2·d-1, 월별 누적 DLI범위는 82~228 mol·m-2·d-1이었다.
외부 월별 누적 DLI 5년 평균값 298~1,459 mol·m-2·d-1, 인삼 재배용 흑색이중차광막 적용시 월별 누적DLI 값 101~496 mol·m-2·d-1, 청백차광 필름 적용시 월별 누적DLI 값 36~175 mol·m-2·d-1와 인삼생육 적정 월별 누적 DLI값을 비교 분석한 결과, 자연광 하에서는 연중 차광이 필요하였다.
흑색이중차광막 하에서는 3~10월에 추가적인 차광이 필요한 것으로 나타났고, 청백차광필름을 적용한 경우에는 인삼 생육이 활발한 4~8월 동안에 추가 차광이 필요없이 인삼 생육에 필요한 적정 DLI 값을 유지하는 것으로 나타나, 청백차광필름이 흑색이중차광막보다 인삼 재배에 유리한 것을 알 수 있었다.
본 연구에서는 농업기상 5년 평균 DLI 값을 기반으로 인삼 생육에 필요한 적정 DLI를 분석하였다. 기후변화에 따른 지역별 국지 기상의 차이가 점차 증대되고 있으며, 한 지역에서도 매년 월별 및 누적 DLI값이 다르게 나타난다. 그러므로 인삼재배를 위한 정밀 농업환경 구현을 위해서는 농업기상 센서 빅데이터를 활용한 상세한 분석과 지속적 연구가 요구된다.
Acknowledgments
본 논문은 2021년 고경력연구인력지원사업 (중소벤처 기업부, (사)한국산업기술진흥협회), 2020~2022년 구매 조건부신제품개발사업 (중소벤처기업부, 중소기업기술정보 진흥원) 의 지원을 받아 수행한 연구입니다.
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